Российская академия наук
Сибирское отделение
ОПТИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА
Том 27, ¹ 9
ñåíòÿáðü, 2014
Научный журнал
Основан в январе 1988 года академиком В.Е. Зуевым
Выходит 12 раз в год
Главный редактор
доктор физ.-мат. наук Г.Г. Матвиенко
Заместители главного редактора
доктор ôèç.-ìàò. наук Á.Ä. Áåëàí,
доктор физ.-мат. наук Ю.Н. Пономарев
Ответственный секретарь
доктор физ.-мат. наук В.А. Погодаев
Редакционная коллегия
Багаев С.Н., академик РАН, Институт лазерной физики (ИЛФ) СО РАН, г. Новосибирск, Россия;
Банах Â.À., ä.ô.-ì.í., Институт оптики атмосферы èì. Â.Å. Зуева (ÈÎÀ) СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Белов Â.Â., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Букин О.А., д.ф.-м.н., Дальневосточная морская академия им. адмирала Г.И. Невельского, г. Владивосток, Россия;
Голицын Г.С., академик РАН, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова (ИФА) РАН, г. Москва, Россия;
Еланский Í.Ô., ÷ë.-êîð. ÐÀÍ, ИФА ÐÀÍ, ã. Ìîñêâà, Ðîññèÿ;
Землянов À.À., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Кандидов В.П., д.ф.-м.н., Международный лазерный центр МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия;
Кулмала М. (Kulmala M.), проф., руководитель Отдела атмосферных наук кафедры физики, Университет г. Хельсинки,
Финляндия;
Лукин Â.Ï., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Михайлов Г.А., чл.-кор. РАН, Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН,
г. Новосибирск, Россия;
Павлов В.Е., д.ф.-м.н., Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул, Россия;
Панченко Ì.Â., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Ражев À.Ì., ä.ô.-ì.í., ИЛФ СО ÐÀÍ, ã. Новосибирск, Ðîññèÿ;
Тарасенко В.Ф., д.ф.-м.н., Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск, Россия;
Шабанов В.Ф., академик РАН, Красноярский научный центр СО РАН, г. Красноярск, Россия;
Шайн К. (Shine K.P.), член Английской академии наук, королевский профессор метеорологических и климатических
наук, Департамент метеорологии, Университет г. Рединга, Великобритания;
Циас Ф. (Ciais P.), проф., научный сотрудник Лаборатории климатических наук и окружающей среды совместного научно-исследовательского
подразделения Комиссариата атомной энергии и Национального центра научных исследований
(НЦНИ) Франции, г. Жиф-сюр-Иветт, Франция
Совет редколлегии
Борисов Ю.А., к.ф.-м.н., Центральная аэрологическая обсерватория, г. Долгопрудный Московской обл., Россия;
Заворуев В.В., д.б.н., Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, Россия;
Ивлев Л.С., д.ф.-м.н., Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока при СПбГУ, г. Санкт-Петербург, Россия;
Игнатьев А.Б., д.т.н., ГСКБ концерна ПВО «Алмаз-Антей» им. академика А.А. Расплетина, г. Москва, Россия;
Кабанов М.В., чл.-кор. РАН, Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск, Россия;
Михалев А.В., д.ф.-м.н., Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск, Россия;
Якубов В.П., д.ф.-м.н., Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия
Зав. редакцией С.Б. Пономарева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
Ðîññèÿ, 634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Адрес ðåäàêöèè: 634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Òåë. (382-2) 49-24-31, 49-19-28; факс (382-2) 49-20-86
E-mail: psb@iao.ru
http://www.iao.ru
© Сибирское отделение ÐÀÍ, 2014
© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы èì. Â.Å. Зуева СО ÐÀÍ, 2014
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Том 27, № 9 (308), c. 757–848
СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Перевалов В.И., Лукашевская А.А. Параметризация матричных элементов оператора эффективного дипольного
момента в случае молекул типа асимметричного волчка. Приложение к молекуле NO2
ОПТИКА КЛАСТЕРОВ, АЭРОЗОЛЕЙ И ГИДРОЗОЛЕЙ
Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Козлов А.С., Малышкин С.Б., Симоненков Д.В.,
Антохин П.Н. Нуклеационные всплески в атмосфере бореальной зоны Западной Сибири. Часть I. Классификация
и повторяемость ................................................................................ 766
Полькин В.В., Панченко М.В., Ужегов В.Н., Полькин Вас.В., Терпугова С.А. О среднедисперсной фракции частиц
приземного аэрозоля в переходный период «зима–весна»............................................... 775
Банах В.А., Залозная И.В. Обратное атмосферное рассеяние короткого светового импульса ................... 782
Ермолов Ю.В., Махатков И.Д., Худяев С.А. Фоновые концентрации химических элементов в снежном покрове
центрального сектора Западной Сибири............................................................. 790
Суторихин И.А., Букатый В.И., Акулова О.Б. Сезонные изменения спектральной прозрачности и концентрации
хлорофилла а в разнотипных озерах ...............................................................
801
Бурнашов А.В., Коношонкин А.В. Рассеяние света на ледяных кристаллах перистых облаков вида «пуля»
и «усеченная пуля» в условиях их преимущественной ориентации в пространстве ........................... 807
ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ, ГИДРОСФЕРЫ
И ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
Камардин А.П., Одинцов С.Л., Скороходов А.В. Идентификация внутренних гравитационных волн в атмосферном
пограничном слое по данным содара ............................................................... 812
Рокотян Н.В., Imasu R., Захаров В.И., Грибанов К.Г., Хаматнурова М.Ю. Амплитуда сезонного цикла СО2
в атмосфере Уральского региона по результатам наземного и спутникового ИК-зондирования ................. 819
Кашкин В.Б., Рублева Т.В. Зональное движение масс озона в нижней стратосфере по спутниковым данным...... 826
АТМОСФЕРНАЯ РАДИАЦИЯ, ОПТИЧЕСКАЯ ПОГОДА И КЛИМАТ
Скворцов В.А., Чудненко К.В. Термодинамическая модель эмиссии парниковых газов в атмосфере и изменение
климата....................................................................................... 833
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Банах В.А., Смалихо И.Н., Rahm S. Определение структурной характеристики показателя преломления воздуха
из данных, измеряемых когерентным доплеровским лидаром............................................ 841
Зуев С.В., Гочаков А.В., Красненко Н.П., Колкер А.Б. Применение RGB- и вейвлет-методов для инструментального
определения общего балла облачности .............................................................. 846
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Томск
«Оптика атмосферы и океана», 2014
....................... 759
сентябрь, 2014 г.
Стр.2
CONTENTS
Vol. 27, No. 9 (308), p. 757–848
Spectroscopy of ambient medium
Perevalov V.I., Lukashevskaya A.A. Parameterization of the effective dipole moment matrix elements in the case of
asymmetric top molecules. Application to NO2
Optics of clusters, aerosols, and hydrosoles
Arshinov M.Yu., Belan B.D., Davydov D.K., Ivlev G.А., Kozlov A.V., Kozlov A.S., Malyshkin S.B., Simonenkov D.V.,
Antokhin P.N. Nucleation bursts in the atmosphere over boreal zone in West Siberia. Part I. Classification and
frequency ..................................................................................... 766
Polkin V.V., Panchenko М.V., Uzhegov V.N., Polkin Vas.V., Тerpugova S.А. On medium-sized particles in the ground
aerosol during the winter–spring change ............................................................. 775
Banakh V.A., Zaloznaya I.V. Atmospheric backscatter of a short optical pulse................................. 782
Ermolov Yu.V., Makhatkov I.D., Khudyaev S.A. Background concentration of chemical elements in snow cover of the
typical regions of the Western Siberia ............................................................... 790
Sutorikhin I.А., Bukaty V.I., Akulova О.B. Seasonal changes of water spectral transparency and concentration
of chlorophyll a in different-type lakes ..............................................................
801
Burnashov A.V., Konoshonkin A.V. Scattering of the light on bullet and droxtal ice crystals of cirrus clouds preferably
oriented in a horizontal plane with zenith flutter....................................................... 807
Remote sensing of atmosphere, hydrosphere, and underlying surface
Kamardin A.P., Odintsov S.L., Skorokhodov A.V. Identification of internal gravity waves in the atmospheric boundary
layer from sodar data ............................................................................ 812
Rokotyan N.V., Imasu R., Zakharov V.I., Gribanov K.G., Khamatnurova M.Yu. The amplitude of the CO2
cycle in the atmosphere of Ural by ground-based and satellite remote sensing techniques........................ 819
seasonal
Kashkin V.B., Rubleva T.V. Estimation of zonal movement of ozone mass in the lower stratosphere based on satellite
data.......................................................................................... 826
Atmospheric radiation, optical weather, and climate
Skvortsov V.A., Chudnenko K.V. Thermodynamical model of the emission greenhouse gases in the atmosphere and change
of climate ..................................................................................... 833
Optical instrumentation
Banakh V.A., Smalikho I.N., Rahm S. Estimation of the structure characteristics of refractive index of air from a coherent
Doppler wind lidar data .......................................................................... 841
Zuev S.V., Gochakov A.V., Krasnenko N.P., Kolker A.B. Application of RGB- and wavelet methods for instrumental
determination of total cloudiness ................................................................... 846
molecule ................................................. 759
September 2014
Стр.3
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 27, ¹ 9 (2014)
СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
УДК 539.194
Параметризация матричных элементов оператора
эффективного дипольного момента в случае молекул типа
асимметричного волчка. Приложение к молекуле NO2
В.И. Перевалов, А.А. Лукашевская*
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Поступила в редакцию 17.03.2014 ã.
Предложена новая параметризация матричных элементов оператора эффективного дипольного момента
для молекул типа асимметричного волчка. Она базируется на введении факторов Германа–Уоллиса для
матричных элементов. Преимущество этой новой параметризации состоит в использовании параметров матричных
элементов, которые явным образом описывают зависимость главного параметра от вращательных
квантовых чисел J и K. Обсуждается применение этого подхода к молекуле NO2
с незамкнутой электронасимметричный
волчок, двуокись азота, NO2
asymmetric top, nitrogen dioxide, NO2
Введение
Для вычисления интенсивностей спектральных
линий молекул типа асимметричного волчка в рамках
метода эффективных операторов в настоящее
время широко используется параметризация матричных
элементов эффективного дипольного момента,
предложенная Y.-M. Flaud и H.C. CamyPeyret
[1, 2]. Параметризация базируется на выражении
для оператора Z-компоненты эффективного
дипольного момента в пространственно-фиксированной
системе координат в терминах декартовых
компонент эффективного дипольного момента и оператора
углового момента в молекулярно-фиксированной
системе координат, а также направляющих
косинусов.
В настоящей статье предложена модифицирооператора
эффективного
ванная параметризация
дипольного момента. Она базируется на введении
факторов Германа–Уоллиса для матричных элементов.
Преимущество этой новой параметризации
состоит в использовании параметров матричных
элементов, которые явным образом описывают зависимость
главного
параметра от
вращательных
квантовых чисел J и K. Эта параметризация применена
к молекуле NO2 с незамкнутой электронной
оболочкой.
* Валерий Иннокентьевич Перевалов (vip@lts.iao.ru),
Анастасия Александровна Лукашевская (nastya_l@sibmail.
com).
Перевалов Â.È., Лукашевская À.À., 2014
y = c
Ðèñ. 1. Представление Ir
для трехатомной изогнутой вытянутой
молекулы XY2
Интенсивность линии поглощения
Sba () T
в см–1/(молек. см–2) на колебательно-вращательном
переходе b a дается хорошо известным выражением
ba
ST Chc
Q T
()3()
a
8exp( hcE kT)
ba
3
/
(1) ,
759
1exp( hcba / )kT Wba
ной оболочкой.
Ключевые слова: интенсивность линии, матричные элементы эффективного дипольного момента,
.
; line
Интенсивность линии
Рассмотрим невозмущенную полосу
intensity, effective dipole moment matrix elements,
симметричной
трехатомной изогнутой вытянутой молекулы.
Такая молекула имеет группу симметрии C2V.
Для этого типа молекул обычно используется представление
Ir (ðèñ. 1).
x = b
X
z = a
Y
Y
Стр.4
где T – опорная температура; C – доля рассматриваемого
изотопа в образце ãàçà; ba – волновое
число, соответствующее колебательно-вращательному
переходу b a; Ea – энергия нижнего состояния;
c – скорость ñâåòà; h – постоянная Ïëàíêà;
k – постоянная Больцмана; Q(T) – статистическая
сумма; Wba – квадрат момента перехода. В рамках
метода эффективных операторов квадрат момента
перехода между состояниями
VJK ac K
VJ ac ,K K которые задаются индексом колебательного
состояния V, вращательными квантовыми
числами J и ,
ac
VJK K M
MM
eff
VJK K M
CC
VJ
VJ
MM KK
2
VJKM M JKM V ,
eff
(2)
где сумма берется по магнитным квантовым числам
верхнего и нижнего состояний M и M и по компонентам
эффективного дипольного момента пространственно-фиксированной
системы координат .
Коэффициенты разложения
VJ K
CKK определяют
ac
собственную функцию эффективного гамильтониана,
соответствующую нижнему состоянию
CV JKM . (3)
K
eff
VJK K M
ac
K
VJ
KK
ac
Аналогично коэффициенты разложения
VJ K
CK K
ac
определяют собственную функцию эффективного
гамильтониана, соответствующую верхнему состоянию.
Здесь V и JMK – собственные функции
гармонических осцилляторов и жесткого симметричного
волчка. Мы используем сферические компоненты
оператора эффективного дипольного момента
и комбинации Ванга собственных функций
жесткого симметричного волчка.
Компонента оператора эффективного дипольного
момента в пространственно-фиксированной
системе координат
M eff
дипольного момента M тем же самым унитарным
преобразованием
MM iS
eff ee ,
iS
(4)
что и эффективный гамильтониан Heff из колебательно-вращательного
гамильтониана HVR:
iS
HHVR
eff ee .
iS
(5)
В соотношениях (2) и (4) , и нумеруют сферические
компоненты оператора дипольного момента.
В молекулярно-фиксированной системе координат
эти компоненты определены как
760
и
K 1, 3, 5, ... для V 0, 2, 4, ... .
3
Таким образом, для трехатомных изогнутых вытянутых
молекул симметрии C2V для полос с нечетным
значением V3 существуют ненулевые матричные
элементы только с четным значением K.
Перевалов В.И., Лукашевская А.А.
K 0, 2, 4, ... для V 1, 3, 5, ...
3
получается из компоненты
2
Здесь
.
V
1(,FJK) J K J K
JK
,
дана 1 K JK J JK K
FJK
VV V V
JK
K 0, 1.
(10)
JK (, )JK равен коэффициенту Êëåáøà–Ãîð
для Выраложении
II, а выражения для функций типа Германа–Уоллиса
В случае трехатомных изогнужения
для K 2 и K 3 представлены в ÏðèV
(, ) даны íèæå. Для кратности
здесь и далее мы используем обозначение
12 3 .
тых вытянутых молекул симметрии C2V существуют
следующие правила отбора для матричных элементов
оператора эффективного дипольного момента:
KK
21
JC C acM
VJ
KK VJ K
KK KK V
ac
K
KK
KK KK
ac ac
ac M
eff eff
ac
KK дается следующим выражением:
2
W ac ac
VJKK VJKK
1
i
1
i
z,
0
1(),
2 xy
1(),
2 xy
(6)
(7)
(8)
где ,,x yz – декартовы компоненты оператора
дипольного момента. Соотношение (4) может быть
представлено в следующем виде:
eff 11 1
MD D
22
,,
eff
11
eff
1,0, 1
где D1
– D-ôóíêöèè Âèãíåðà;
1,0, 1
(9)
eff
– сферические
компоненты эффективного дипольного момента
в молекулярно-фиксированной системе координат.
Эти компоненты для трехатомной изогнутой
вытянутой молекулы симметрии C2V (ñì. ðèñ. 1) до
квадратичных членов по угловому моменту представлены
в Приложении I.
После вычисления матричных элементов в соотношении
(2) с использованием соотношения (9)
и соотношений, представленных в Приложении I,
и после суммирования по индексам , M и M
получаем следующее выражение для квадрата момента
перехода:
W JKK VJKK
V ac ac
eff
D
Стр.5